本科毕业设计论文基于plc对立体仓库的控制的.docx
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本科毕业设计论文基于plc对立体仓库的控制的
1绪论
1.1 本课题设计的背景
立体仓库一般是指采用几层、十几层乃至几十层高的货架储存单元货物，用相应的物料搬运设备进行货物入库和出库作业的仓库。
由于这类仓库能充分利用空间储存货物，故常形象地将其称为“立体仓库”。
自动化仓库应用范围很广，几乎遍布所有行业。
在我国，自动化仓库应用的行业主要有机械、冶金、化工、航空航天、电子、医药、食品加工、烟草、印刷、配送中心、机场、港口等。
1.2本课题设计的内容
课题的主要任务是基于三菱FX2N系列PLC的立体仓库控制系统的设计。
仓位的主体框架除包括十二个库位外，还配有一个物品入口位和一个出口位，并在这十二个库位的底部均设置有检测开关，若库内有物品，则压制相应的检测开关使之闭合，若无物品，则相应的检测开关断开。
1.3 本课题设计的目的和意义
传统条件下的库房管理作业，主要依据人工装卸，特别是对于一些大型物资，不仅工作效率低，浪费大量的人力、物力，存在较大的安全隐患，同时还占据大量的库房面积。
立体库的投入使用，彻底解决了这一难题.
自动化立体仓库可以产生巨大的社会效益和经济效益。
它通过高层货架存储，使存储区大幅度地向高空发展，提高了空间利用率；自动化立体仓库采用层积式存放，结合计算机管理，可以很容易实现先入先出，防止货物的自然老化、变质和损坏；通过自动存取系统（AS/RS）,加快了运行和处理速度，提高了劳动生产率，降低操作人员的劳动强度。
自动化仓库的信息系统可以与企业的生产信息系统集成，实现企业信息管理的自动化。
同时，由于使用自动化仓库，促进企业的科学管理。
2系统控制方案的确定
2.1 自动化立体仓库的概述
自动化立体仓库是指在不直接进行人工处理的情况下, 自动地完成物品仓储和取出的系统, 它以高层立体货架为主体, 以成套搬运设备为基础, 是集自动控制技术、通信技术、机电技术于一体的高效率、大容量存储机构。
自动化立体仓库的出现, 实现了仓库功能从单纯保管型向综合流通型的转变。
用PLC控制的自动化立体仓库达到仓储技术的全面自动化。
自动化立体库基本由以下部分组成:
高层货架:
用于存储货物的钢结构。
目前主要有焊接式货架和组合式货架两种基本形式。
托盘（货箱）：
用于承载货物的器具，亦称工位器具。
巷道堆垛机:
用于自动存取货物的设备。
按结构形式分为单立柱和双立柱两种基本形式；按服务方式分为直道、弯道和转移车三种基本形式。
输送机系统:
立体库的主要外围设备，负责将货物运送到堆垛机或从堆垛机将货物移走。
输送机种类非常多，常见的有辊道输送机，链条输送机，升降台，分配车，提升机机，皮带机等。
AGV系统:
即自动导向小车。
根据其导向方式分为感应式导向小车和激光导向小车。
自动控制系统:
驱动自动化立体库系统各设备的自动控制系统。
目前以采用现场总线方式为控制模式为主。
2.2采用PLC控制立体仓库的优点
（1）低成本利用电力线上网，最大的优点就是成本低。
由于利用电力线上网，直接使用现有电力网就可以实现通信，而不需要另外铺设电话线、光电缆等，大大地减少了在基础网络上的投资。
（2）范围广无所不在的电力线网络也是这种技术的优势。
电力线是最基础的网络，它的规模之大，是其他任何网络无法比拟的。
因为家家都有电力线，由此，运营商就可以轻松地把这种网络接入服务渗透到每一个家庭.因此，这一技术一旦进入商业化阶段，将会促进电信市场的变革，并给互联网普及带来极大的发展空间。
（3）高速利用电力线上网能够提供高速传输。
德国最大的电力设备生产商RWE承诺，运用他们的电力线上网技术，其速度要比ISDN拔号上网快30多倍,比ADSL更快！
足以支持现有网络上的各种应用。
更高速率的PLC产品正在研制之中。
（4）便捷不管在家里的哪个角落,只要连接到房间内的任何电源插座上，就可立即拥有PLC带来的高速网络享受!
（5）永远在线PLC属于"即插即用"，不用烦琐的拨号过程，接入电源就等于接入网络！
（6）结构灵活通过PLC技术实现Internet接入，可以灵活扩展接入端口数量，使资源保持较高的利用率。
目前还未有效解决电力线信号通过变压器的技术，因此，电力线通信设备都是集中在220V线路变压器的用户端。
2.3系统设计的基本步骤
立体仓库系统设计与调试的主要步骤：
（1）深入了解和分析立体仓库的工艺条件和控制要求。
（2）确定I/O设备。
根据立体仓库控制系统的功能要求，确定系统所需的用户输入、输出设备。
（3）根据I/O点数选择合适的PLC类型。
（4）分配I/O点，分配PLC的输入输出点，编制出输入输出分配表或者输入输出端子的接线图。
（5）立体仓库整体调试，在PLC软硬件设计和现场施工完成后，就可以进行整个系统的联机调试，调试中发现的问题要逐一排除，直至调试成功。
2.4系统控制方案
德马物流公司需要装一立体仓库十二个仓库位、有物品出入口位与输出口位，各仓位能自检，其动作示意图
（2）所示。
立体仓库的结构示意图见下图2-2所示:
图2-2立体仓库结构示意图
根据某一物流公司对立体仓库的具体要求，本课题所设计的立体仓库具有以下功能：
（1）堆垛机（机械手）要有三个自由度，即：
前进、后退；上、下；左、右；
（2）堆垛机的运动由步进电机驱动；
（3）堆垛机前进（或后退）运动和上（或下）运动可同时进行；
（4）堆垛机前进、后退和上、下运动时必须有超限位保护；
（5）每个仓位必须有检测装置（微动开关），当操作有误时发出错误报警信号；；
（6）当按完仓位号后，没按入或取前，可以按取消键进行取消该操作。
（7）整个电气控制系统必须设置急停按钮，以防发生意外。
2.5立体仓库技术参数的确定
立体仓表2-1立体仓库具体参数
出/入货柜台最重物品
20Kg
每个仓位的高度
4．5CM
仓位的上下距离
0．5CM
仓位的平行距
0．5CM
仓位的体积
4M3
可编程控制器（PLC）电源
24VDC
堆垛机电源
220VAC,50Hz
3.系统硬件设计
3.1控制系统结构设计
本设计是运用PLC控制系统来控制立体仓库的运动的方式。
能快速的对输入信号做出反应控制立体仓库，便于检修。
控制系统结构图如图3-1所示。
图3-1控制系统结构图
3.2 可编程控制器（PLC）的选型
3.2.1PLC概述
可编程控制器，英文称ProgrammableController，简称PLC，本课题中用PLC作为它的简称。
PLC是用于工业现场的电控制器。
它源于继电器控制技术，但基于电子计算机。
它通过运行存储在其内存中的程序，把经输入电路的物理过程得到的输入信息，变换为所要求的输出信息，进而再通过输出电路的物理过程去实现对负载的控制。
PLC基于电子计算机，但并不等同于普通计算机。
普通计算机进行入出信息变换时，大多只考虑信息本身，信息入出的物理过程一般不考虑的。
而PLC则要考虑信息入出的可靠性、实时性，以及信息的实际使用。
特别要考虑怎么适应于工业环境，如便于安装，便于维修及抗干扰等问题,入出信息变换及可靠的物理实现，可以说是PLC实现控制的两个基本要点。
PLC可以通过它的外设或通信接口与外界交换信息。
其功能要比继电控制装置多的多、强的多。
PLC有丰富的指令系统，有各种各样的I/O接口、通信接口，有大容量的内存，有可靠的自身监控系统，因而具有以下基本的功能：
（1）逻辑处理功能；
（2）数据运算功能；
（3）准确定时功能；
（4）高速计数功能；
（5）中断处理（可以实现各种内外中断）功能；
可以说，凡普通小型计算机能实现的功能，PLC几乎也都可以做到。
像PLC这样。
集丰富功能于一身，是别的电控器所没有的，更是传统的继电控制电路所无法比拟的。
丰富的功能为PLC的广泛应用提供了可能，同时，也为自动门行业的远程化、信息化及智能化创造了条件。
3.2.2PLC的选型
在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。
工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。
因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。
（1）输入输出（I/O）点数的估算
I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%～20%的可扩展。
余量后，作为输入输出点数估算数据。
实际订货时，还需根据制造厂商PLC的产品特点，对输入输出点数进行圆整。
根据估算的方法故本课题的I/O点数为输入40点，输出21点。
（2）存储器容量的估算
存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。
设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。
为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。
存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的10～15倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。
因此本课题的PLC内存容量选择应能存储5000条梯形图，这样才能在以后的改造过程中有足够的空间。
（3）控制功能的选择
该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。
3.3步进电机的选择
3.3.1步进电机的原理
步进电机是数字控制系统中的执行电动机，当系统将一个电脉冲信号加到步进电机定子绕组时，转子就转一步，当电脉冲按某一相序加到电动机时，转子沿某一方向转动的步数等于电脉冲个数。
因此，改变输入脉冲的数目就能控制步进电动机转子机械位移的大小；改变输入脉冲的通电相序，就能控制步进电动机转子机械位移的方向，实现位置的控制。
当电脉冲按某一相序连续加到步进电动机时，转子以正比于电脉冲频率的转速沿某一方向旋转。
因此，改变电脉冲的频率大小和通电相序，就能控制步进电动机的转速和转向，实现宽广范围内速度的无级平滑控制。
步进电动机的这种控制功能，是其它电动机无法替代的。
步进电动机可分为磁阻式、永磁式和混合式，步进电动机的相数可分为：
单相、二相、三相、四相、五相、六相和八相等多种。
增加相数能提高步进电动机的性能，但电动机的结构和驱动电源就会复杂，成本就会增加，应按需要合理选用。
3.3.2步进电机的选择
（1）步进电动机的特点
（a）步进电动机是一种作为控制用的特种电机，它的旋转是以固定的角度（称为“步距角”）一步一步运行的，其特点是没有积累误差（精度为100％），所以广泛应用于各种开环控制。
（b）步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比
（c）步距值不容易因为电气、负载、环境条件的变化而改变,使用开环控制（或半闭环控制）就能进行良好的定位控制。
（d）起制动、正反转、变速等控制方便。
（e）价格便宜,可靠性高。
（f）步进电动机的主要缺点是效率较低,并且需要配上适当的驱动电源。
（2）步进电机驱动系统的基本组成
与交直流电动机不同，仅仅接上供电电源，步进电机不会运行的。
为了驱动步进电动机，必须由一个决定电动机速度和旋转角度的脉冲发生器（在该立体仓库控制系统中采用PLC作脉冲发生器进行位置控制）、一个使电动机绕组电流按规定次序通断的脉冲分配器、一个保证电动机正常运行的功率放大器，以及一个直流功率电源等组成一个驱动系统，如图3-2所示。
图3-2步进电机驱动系统的组成
3.4步进电机驱动器的选择
（1）步进电机驱动器的选择
步进电机的运行要有一电子装置进行驱动，这种装置就是步进电机驱动器，它是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移，或者说：
控制系统每发一个脉冲信号，通过驱动器就使步进电机旋转一步距角。
所以步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。
所有型号驱动器的输入信号都相同，共有三路信号，它们是：
步进脉冲信号CP、方向电平信号DIR、脱机信号FREE（此端为低电平有效，这时电机处于无？
？
力矩状态；此端为高电平或悬空不接时，此功能无效，电机可正常运行）。
它们在驱动器内部的接口电路都相同，见下图。
OPTO端为三路信号的公共端，三路输入信号在驱动器内部接成共阳方式，所以OPTO端须接外部系统的VCC，如果VCC是+5V则可直接接入；如果VCC不是+5V则须外部另加限流电阻R，保证给驱动器内部光耦提供8-15mA的驱动电流，参见图3-4和图3-5。
在该立体仓库中由于FP0提供的电平为24V，而输入部分的电平为5V，所以须外部另加1.8K的限流电阻R。
图3-4输入信号接口电路图3-5外接限流电阻R
此步进电机驱动器的电气技术数据为：
表3-2步进电机驱动器的电气技术数据
驱动器型号
相数
类别
细分数
通过拨位
开关设定
最大
相电流
开关设定
工作电源
SH-2H057
二相或四相
混合式
二相八拍
3.0A
一组直流
DC（24V-40V）
（2）步进电机驱动器接线示意图见图3-8
图3-8步进电机驱动器接线示意图
3.5传感器的选择
在该立体仓库中采用欧姆龙EE-SPY402凹槽型、反射型接插件式传感器作货物检测，它是日本欧姆龙公司的产品，采用能抗周围外来光干扰的变调光式；采用变调光式，与直流光式比，不易受外来光干扰的影响；电源电压为DC5-24V的大量程电压输出型反射式传感器的时间图和输出回路图如图3-9所示。
图3-9反射式传感器的时间图和输出回路图
此传感器的电气技术数据为:
表3-3传感器的电气技术数据
型号
EE-SPY402
形状
立式
检测方式
反射型
检测距离
5mm（反射率90﹪15×15mm）
应差距离
0.2mm（检测距离3mm,横方向）
光源（发光波长）
GaAs～红外发光二级管（940nm）
显示灯
入光时灯亮 （红）
电源电压
DC5～24V±10﹪脉动（p-p）5﹪以下
消耗电流
平均值15mA以上50mA以下
控制输出
NPN电压输出
负载电源电压DC5～24V
负载电流80mA以下
残留电压1.0以下（负载电流80mA时 ）
残留电压0.4以下（负载电流10mA时 ）
应答频率
100HZ
使用环境照度
受光面照度白炽灯太阳光：
各3，000
x以下
环境温度
动作时：
-10～+55°C保存时-25～+65°C（不结冰）
环境湿度
动作时：
5～85﹪RH保存时-5～95﹪RH（不结露）
耐久振动
10～55HZ上下振幅1.5mmXYZ各方向2h
耐久冲击
500m/
X、Y、Z各方向三次
保护构造
IEC规格IP50
连接方式
接插件式（不可进行软钎焊）
质量
约2.6g
外壳材质
聚碳酸酯（PC）
3.6微动开关的选择
在该立体仓库控制系统中共有13个仓位（四层十二个仓位加0号仓位）分别采用13只微动开关作为货物检测，当有货物时相应开关动作，其信号对应PLC的输入点是X22-X36；另外为保险起见，在X轴的左限位和Y轴的下限位处还分别加装了1只微动开关作限位保护，以确保立体仓库在程序出错时不损坏。
3.7PLC输入输出分配表
根据本课题PLC输入输出的控制要求，得出PLC输入输出I/O分配，如表3-4所示。
表3-4PLC输入输出I/O分配
X0
启动
X24
检验2号仓库
Y0
前进
X1
手动/自动
X25
检验3号仓库
Y1
后退
X2
取出
X26
检验4号仓库
Y2
向上
X3
送进
X27
检验5号仓库
Y3
向下
X4
取消
X30
检验6号仓库
Y4
送进
X5
急停
X31
检验7号仓库
Y5
取出
X6
1号仓库的键
X32
检验8号仓库
Y6
显示取出
X7
2号仓库的键
X33
检验9号仓库
Y7
显示送进
X10
3号仓库的键
X34
检验10号仓库
Y10
显示操作错误
X11
4号仓库的键
X35
检验11号仓库
Y11
显示1号仓库
X12
5号仓库的键
X36
检验12号仓库
Y12
显示2号仓库
X13
6号仓库的键
X37
前进限制
Y13
显示3号仓库
X14
7号仓库的键
X40
后退限制
Y14
显示4号仓库
X15
8号仓库的键
X41
后退超过
Y15
显示5号仓库
X16
9号仓库的键
X42
向上限制
Y16
显示6号仓库
X17
10号仓库的键
X43
向下限制
Y17
显示7号仓库
X20
11号仓库的键
X44
向下超过
Y20
显示8号仓库
X21
12号仓库的键
X45
前时限制
Y21
显示9号仓库
X22
检验0号仓库
X46
取出限制
Y22
显示10号仓库
X23
检验1号仓库
X47
取出超过
Y23
显示11号仓库
Y24
显示12号仓库
3.8电气原理图的设计
根据立体仓库的课题设计要求，得出如下图3-11电气原理图。
图3-11电气原理图
步进电机驱动器
4系统控制软件设计
4.1PLC梯形图概述
梯形图是使用得最多的图形编程语言，被称为PLC的第一编程语言。
梯形图与电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂电气人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制。
梯形图常被称为电路或程序，梯形图的设计称为编程。
PLC梯形图中的某些编程元件沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出继电器、内部辅助继电器等，但是它们不是真实的物理继电器，而是一些存储单元（软继电器），每一软继电器与PLC存储器中映像寄存器的一个存储单元相对应。
该存储单元如果为“1”状态，则表示梯形图中对应软继电器的线圈“通电”，其常开触点接通，常闭触点断开，称这种状态是该软继电器的“1”或“ON”状态。
如果该存储单元为“0”状态，对应软继电器的线圈和触点的状态与上述的相反，称该软继电器为“0”或“OFF”状态。
使用中也常将这些“软继电器”称为编程元件。
开关量：
按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。
模拟量：
按其精度可分为12bit、14bit、16bit等；按信号类型可分为电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等。
除了上述通用I/O外，还有特殊I/O模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。
梯形图两侧的垂直公共线称为母线（Busbar），。
在分析梯形图的逻辑关系时，为了借用继电器电路图的分析方法，可以想象左右两侧母线（左母线和右母线）之间有一个左正右负的直流电源电压，母线之间有“能流”从左向右流动。
右母线可以不画出。
根据梯形图中各触点的状态和逻辑关系，求出与图中各线圈对应的编程元件的状态，称为梯形图的逻辑解算。
梯形图中逻辑解算是按从左至右、从上到下的顺序进行的。
解算的结果，马上可以被后面的逻辑解算所利用。
逻辑解算是根据输入映像寄存器中的值，而不是根据解算瞬时外部输入触点的状态来进行的。
PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。
I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。
输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。
I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。
开关量：
按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。
模拟量：
按其精度可分为12bit、14bit、16bit等；按信号类型可分为电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等。
除了上述通用I/O外，还有特殊I/O模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。
4.2三菱编程软件的特点
本设计的梯形图编程是运用三菱公司的GXDeveloper7.0编程软件完成的。
（1）制作程序
（2）对可编程控制器CPU的写入/读出
（3）监视功能，监视功能包括回路监视，软元件同时监视，软元件登陆监视机能。
此功能对于自动门的控制系统在查找故障的时候是非常重要的。
（4）模拟调试功能，把制作好的可编程控制器程序模拟写入可编程控制器的CPU内，测试此程序能否正常运转。
次功能对于在完成自动门程序的时候进行程序的检查是很重要的。
（5）PC诊断功能，因为会见现在的错误状态或是故障履历表示出来，可以在短时间内恢复作业。
对于自动门系统以后的故障查找是很重要的一项功能。
4.3系统流程图
根据系统工作过程的分析得出，示意图4-1所示
图4-1系统流程图
4.4梯形图的设计
本系统运用SWOPC-FXGP/WIN-C编程软件进行梯形图顺控程序编写，在编写梯形图的过程中遵循以下编程规则：
（1）每个继电器的线圈和它的触点均用同一编号，每个元件的触点使用时没有数量限制。
（2）梯形图每一行都是从左边开始，线圈接在最右边（线圈右边不允许再有触点）。
（3）线圈不能直接接在左边母线上。
（4）在一个程序中，同一编号的线圈如果使用两次，称为双线圈输出，它很容易引起误操作，应避免。
（5）在梯形图中没有真实的电流流动，为了便于分析PLC的周期扫描原理和逻辑上的因果关系，假定在梯形图中有“电流”流动，这个“电流”只能在梯形图中单方向流动——即从左向右流动，层次的改变只能从上向下。
具体梯形图见附录A。
5.系统的调试
5.1梯形图程序的下载（传送）
（1）传输设置
要将GXDeveloper7.0中已编制好的程序下载到PLC，必须先进行网络传输设置。
先将PLC与计算机的串口互连，然后单击[在线]-[传输设置]，可以进入[传输设置]对话框，进行FX2nPLC设备与网络传输参数设定，可以进行PLC和计算机的串口通信口及通信方式的设定，可以进行其他网络站点的设定，还可以实现通信测试。
（2）梯形图写入PLC
单击[在线]-[PLC写入]，就可以打开“PLC写入”对话框，进行相关设置并执行，就可将GXDeveloper中已编好的程序写入PLC。
5.2程序运行过程记录
待程序全部写入PLC之后，首先运用PLC的编程软件进行模拟调试，模拟调试成功以后，接上外部接线进行现场调试，现场调试的具体情况如下表所示：
表5-1程序运行过程记录
PLC元件
状态
运行结果
X0
ON
启动
X1
ON
手动/自动
X2
ON
取出
X3
ON
送进
X4
ON
取消
X5
ON
急停
X6
ON
1号仓库的键
X7
ON
2号仓库的键
X10
ON
3号仓库的键
X11
ON
4号仓库的键
X12
ON
5号仓库的键
X13
ON
6号仓库的键
X14
ON
7号仓库的键
X15
ON
8号仓库的键
X16
ON
9号仓库的键
X17
ON
10号仓库的键
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